Sisäinen vs. ulkoinen puolijohde
On huomionarvoista, että moderni elektroniikka perustuu yhden tyyppiseen materiaaliin, puolijohteisiin. Puolijohteet ovat materiaaleja, joilla on välijohtavuus johtimien ja eristeiden välillä. Puolijohdemateriaaleja käytettiin elektroniikassa jo ennen puolijohdediodin ja -transistorin keksimistä 1940-luvulla, mutta sen jälkeen puolijohteet löysivät laajan sovelluksen elektroniikka-alalla. Vuonna 1958 Texasin instrumenttien Jack Kilbyn keksimä integroitu piiri nosti puolijohteiden käytön elektroniikan alalla ennennäkemättömälle tasolle.
Luonnollisesti puolijohteilla on johtavuusominaisuus vapaiden varauksenkuljettajien ansiosta. Tällainen puolijohde, materiaali, jolla on luonnollisesti puolijohdeominaisuuksia, tunnetaan sisäisenä puolijohteena. Kehittyneiden elektronisten komponenttien kehittämiseksi puolijohteita parannettiin toimimaan suuremmalla johtavuudella lisäämällä materiaaleja tai elementtejä, jotka lisäävät varauksenkuljettajien määrää puolijohdemateriaalissa. Tällainen puolijohde tunnetaan ulkoisena puolijohteena.
Lisätietoja sisäisistä puolijohteista
Kaiken materiaalin johtavuus johtuu elektroneista, jotka vapautuvat johtavuuskaistalle lämpösekoituksesta. Sisäisissä puolijohteissa vapautuvien elektronien määrä on suhteellisen pienempi kuin metalleissa, mutta suurempi kuin eristeissä. Tämä mahdollistaa erittäin rajoitetun virranjohtavuuden materiaalin läpi. Kun materiaalin lämpötilaa nostetaan, enemmän elektroneja tulee johtavuuskaistalle ja siten myös puolijohteen johtavuus kasvaa. Puolijohteessa on kahden tyyppisiä varauksenkuljettajia, valenssikaistalle vapautuneet elektronit ja vapaat kiertoradat, jotka tunnetaan yleisemmin aukkoina. Sisäisen puolijohteen reikien ja elektronien määrä on yhtä suuri. Sekä reiät että elektronit myötävaikuttavat virrankulkuun. Kun potentiaalieroa sovelletaan, elektronit liikkuvat kohti suurempaa potentiaalia ja reiät liikkuvat kohti pienempää potentiaalia.
On monia materiaaleja, jotka toimivat puolijohteina, ja osa niistä on alkuaineita ja osa yhdisteitä. Pii ja germanium ovat alkuaineita, joilla on puolijohtavia ominaisuuksia, kun taas galliumarsenidi on yhdiste. Yleensä ryhmän IV elementeillä ja ryhmien III ja V alkuaineilla, kuten galliumarsenidilla, alumiinifosfidilla ja galliumnitridillä, on luontaisia puolijohdeominaisuuksia.
Lisätietoja ulkoisista puolijohteista
Lisäämällä eri elementtejä puolijohteiden ominaisuuksia voidaan jalostaa johtamaan enemmän virtaa. Lisäysprosessi tunnetaan dopingina, kun taas lisätty materiaali tunnetaan epäpuhtauksina. Epäpuhtaudet lisäävät varauksenkuljettajien määrää materiaalissa, mikä mahdollistaa paremman johtavuuden. Toimitetun kantajan perusteella epäpuhtaudet luokitellaan vastaanottajiksi ja luovuttajiksi. Luovuttajat ovat materiaaleja, joissa on sitoutumattomia elektroneja hilassa, ja vastaanottajat ovat materiaaleja, jotka jättävät reikiä hilaan. Ryhmän IV puolijohteissa ryhmän III elementit boori, alumiini toimivat vastaanottajina, kun taas ryhmän V alkuaineet fosfori ja arseeni toimivat luovuttajina. Ryhmän II-V yhdistepuolijohteissa seleeni, telluuri toimivat luovuttajina, kun taas beryllium, sinkki ja kadmium toimivat vastaanottajina.
Jos epäpuhtaudeksi lisätään useita akseptoriatomeja, reikien määrä kasvaa ja materiaalissa on enemmän positiivisia varauksenkantajia kuin ennen. Siksi akseptoriepäpuhtaudella seostettua puolijohdetta kutsutaan positiivisen tyypin tai P-tyypin puolijohteeksi. Samalla tavalla puolijohdetta, joka on seostettu luovuttajaepäpuhtaudella, joka jättää materiaalin yli elektroneja, kutsutaan negatiivisen tyypin tai N-tyypin puolijohteeksi.
Puolijohteita käytetään erityyppisten diodien, transistoreiden ja niihin liittyvien komponenttien valmistukseen. Lasereissa, aurinkokennoissa (aurinkokennoissa) ja valoilmaisimissa käytetään myös puolijohteita.
Mitä eroa on sisäisillä ja ulkoisilla puolijohteilla?
